ΤΜΗΜΑ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΕΩΝ

ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας ΤΜΗΜΑ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΕΩΝ 2015-2016 Τεχνητή Νοημοσύνη Εισαγωγή Διδάσκων: Τσίπουρας Μάρκος Εκπαιδευτικό Υλικό: Τσίπουρας Μάρκος http://ai.uom.gr/aima/

2 Τεχνητή Νοημοσύνη Στα πλαίσια του μαθήματος Τεχνητή Νοημοσύνη θα διδαχτούν εισαγωγικά και θεμελιώδη θέματα σε σχέση με τις τεχνολογίες και τους αλγορίθμους που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη εφαρμογών τεχνητής νοημοσύνης.

3 Στόχοι Οι στόχοι του μαθήματος είναι: η παρουσίαση των βασικών εννοιών σε σχέση με την Τεχνητή Νοημοσύνη, η παρουσίαση των βασικών προσεγγίσεων/αλγορίθμων τεχνητής νοημοσύνης,

4 Θεωρία Εισαγωγικές έννοιες Ευφυείς Πράκτορες Επίλυση Προβλημάτων µε Αναζήτηση Πληροφορηµένη αναζήτηση και εξερεύνηση Προβλήματα Ικανοποίησης Περιορισµών Αναζήτηση µε Αντιπαλότητα Λογικοί Πράκτορες Λογική Πρώτης Τάξης Συµπερασµός στη Λογική Πρώτης Τάξης

5 Θεωρία Αναπαράσταση της Γνώσης Αβεβαιότητα Πιθανοτική Συλλογιστική Λήψη Απλών Αποφάσεων Μάθηση από Παρατηρήσεις Η Γνώση στη Μάθηση Στατιστικές Μέθοδοι Μάθησης Ενισχυτική Μάθηση

6 Εξέταση Αξιολόγηση Τελική Εξέταση

Βιβλιογραφία 7

8 Επικοινωνία Οι φοιτητές μπορούν να υποβάλλουν τις ερωτήσεις τους μέσω e-mail στο: markanast1@yahoo.com

9 Τι είναι η Τεχνητή Νοημοσύνη [1] Διάφορες προσεγγίσεις Συστήματα που σκέπτονται σαν τον άνθρωπο Συστήματα που σκέπτονται ορθολογικά Συστήματα που ενεργούν σαν τον άνθρωπο Συστήματα που ενεργούν ορθολογικά Ανθρώπινη δράση: Η δοκιμασία Turing Επεξεργασία φυσικής γλώσσας Αναπαράσταση γνώσης Αυτοματοποιημένη συλλογιστική Μηχανική μάθηση Πλήρης δοκιμασία Turing: μηχανική όραση ρομποτική

10 Τι είναι η Τεχνητή Νοημοσύνη [2] Ανθρώπινη σκέψη: Η προσέγγιση με γνωστικά μοντέλα Γνωστική επιστήμη: Υπολογιστικά μοντέλα της ΤΝ και πειραματικές τεχνικές της ψυχολογίας, με σκοπό τη δημιουργία ακριβών και πειραματικά επαληθεύσιμων θεωριών για τον τρόπο λειτουργίας του ανθρώπινου νου. Ορθολογική σκέψη: Η προσέγγιση με τους νόμους της σκέψης Αριστοτέλειοι συλλογισμοί Λογική Ορθολογική δράση: Η προσέγγιση με ορθολογικούς πράκτορες Καλύτερο (αναμενόμενο) αποτέλεσμα Η δράση δεν προϋποθέτει απαραιτήτως σκέψη. Αντανακλαστικές ενέργειες.

1-11 Φιλοσοφία Μπορούν να χρησιμοποιούνται τυπικοί κανόνες για την εξαγωγή έγκυρων συμπερασμάτων; Πρώτες αριθμομηχανές (περ. 1500) Πώς προκύπτει η πνευματική νόηση από το φυσικό εγκέφαλο; Δυισμός (Καρτέσιος, 1569-1650), Υλισμός Από πού προέρχεται η γνώση; Εμπειρικισμός, επαγωγή Πώς η γνώση οδηγεί σε δράση; Αλγόριθμος Αριστοτέλη (Ηθικά Νικομάχεια), πρόγραμμα GPS (Newell & Simon)

12 Μαθηματικά Λογική Προτασιακή λογική (Boole, 1815-1864) Λογική πρώτης τάξης (Gottlob Frege, 1848-1925) Θεωρία Υπολογισμών Θεώρημα της μη-πληρότητας (Goedel, 1906-1978) Αλγόριθμος, Θέση Turing-Church Δυσεπίλυτα προβλήματα Πιθανότητες

13 Οικονομικά Πώς πρέπει να παίρνουμε αποφάσεις ώστε να μεγιστοποιούμε την απολαβή; Θεωρία Αποφάσεων = Πιθανότητες + Χρησιμότητες Πώς πρέπει να το κάνουμε όταν οι άλλοι ίσως να μη φέρονται ευνοϊκά; Θεωρία Παιγνίων Πώς πρέπει να το κάνουμε όταν η απολαβή ίσως είναι στο απώτερο μέλλον; Επιχειρησιακή έρευνα Διαδικασίες αποφάσεων Markov

14 Νευροεπιστήμες [1] Πώς επεξεργάζεται ο εγκέφαλος τις πληροφορίες;

15 Νευροεπιστήμες [2] Υπολογιστής Ανθρώπινος εγκέφαλος Υπολογιστικές μονάδες 1 CPU, 10 8 πύλες 10 11 νευρώνες Αποθηκευτικές μονάδες 10 10 bit RAM 10 11 νευρώνες 10 11 bit δίσκου 10 14 συνάψεις Χρόνος κύκλου 10 9 sec 10 3 sec Εύρος ζώνης 10 10 bit/sec 10 14 bit/sec Ενημερώσεις μνήμης/sec 10 9 10 14 1-15

16 Ψυχολογία Πώς σκέπτονται και πώς ενεργούν οι άνθρωποι και τα ζώα; Πειραματική ψυχολογία «Ενδοσκόπηση» ανθρώπων Γνωστική ψυχολογία Συμπεριφορισμός Παρατήρηση ζώων Γνωστική επιστήμη: Υπολογιστικά μοντέλα

17 Τεχνολογία Υπολογιστών Πώς μπορούμε να κατασκευάσουμε έναν αποδοτικό υπολογιστή; Δεύτερο μισό του 20 ου αιώνα

18 Θεωρία Ελέγχου και Κυβερνητική Πώς μπορούν τα τεχνουργήματα να λειτουργούν υπό το δικό τους έλεγχο; Σχεδίαση συστημάτων που μεγιστοποιούν μια αντικειμενική συνάρτηση στο χρόνο. Θεωρία Ελέγχου: Χρήση μαθηματικού λογισμού και γραμμικής άλγεβρας ΤΝ: Διακριτά μαθηματικά

19 Γλωσσολογία Πώς σχετίζεται η γλώσσα με τη σκέψη; Υπολογιστική γλωσσολογία Noam Chomsky, Syntactic Structures (1950)

20 Αρχικές Σκέψεις 1943: Ο McCulloch και ο Pitts πρότειναν ένα μοντέλο τεχνητών νευρώνων που είχε τη δυνατότητα να μαθαίνει και να υπολογίζει συναρτήσεις. 1949: O Donald Hebb πρότεινε μία μέθοδο εκπαίδευσης νευρωνικών δικτύων. 1950: Ο Alan Turing, με το άρθρο του "Computing Machinery and Intelligence", εισήγαγε: Το γνωστό τεστ Turing. Τη μηχανική μάθηση. Τους γενετικούς αλγορίθμους. Την ενισχυτική μάθηση. 1951: Ο Minsky και ο Edmonts υλοποίησαν το πρώτο νευρωνικό δίκτυο, το SNARC, με 40 νευρώνες, το οποίο χρησιμοποιούσε 3.000 λυχνίες.

21 Ορισμός της Τεχνητής Νοημοσύνης (1956) 1956: Διοργάνωση από τους John McCarthy, Marvin Minksy, Claude Shannon και Nathaniel Rochester μιας δίμηνης συνάντησης (workshop) στο Dartmouth (Hanover, New Hampshire) καθοριστικής στη γέννηση της Τ.Ν. Η συνάντηση αφορούσε τη θεωρία αυτομάτων, τα νευρωνικά δίκτυα και τη μελέτη της ευφυΐας. Είχε μόνο 10 συμμετέχοντες! Οι Allen Newell και Herner Simon παρουσίασαν το πρόγραμμα Logic Theorist (LT) που ήταν σε θέση να αποδεικνύει απλά μαθηματικά θεωρήματα. Το κυριότερο ίσως αποτέλεσμα της συνάντησης ήταν η αποδοχή του ονόματος που πρότεινε ο John McCarthy για τη νέα ερευνητική περιοχή: Τεχνητή Νοημοσύνη.

22 Πρώιμος ενθουσιασμός (1952-1969) 1958: Ο McCarthy Όρισε τη συναρτησιακή γλώσσα LISP. Πρότεινε ένα υποθετικό σύστημα (το Advice Taker), που χρησιμοποιούσε γνώση (όπως το LT) αλλά αφορούσε γενικά, καθημερινά, προβλήματα. 1959: Herbert Galernter, Geometry Theorem Prover. 1961: Newell & Simon, General Problem Solver. 1969: Stanford, Shakey. Μικρόκοσμοι

23 Ο κόσμος των αναλογιών Παράδειγμα προβλήματος που μπορεί να επιλυθεί από το πρόγραμμα Analogy του Evans

Ο κόσμος των «κύβων» 24

25 Μια δόση ρεαλισμού (1966-1973) Μεγάλες προσδοκίες: Το 1957 ο Herbert Simon είχε προβλέψει ότι σε 10 χρόνια ο παγκόσμιος πρωταθλητής στο σκάκι θα είναι υπολογιστής! Φτωχά αποτελέσματα: Δυσεπίλυτα προβλήματα: Το γεγονός ότι ένα πρόγραμμα μπορεί θεωρητικά να βρει μια λύση δε σημαίνει ότι το πρόγραμμα περιέχει κανέναν από τους μηχανισμούς που απαιτούνται για να βρει τη λύση πραγματικά. 1969: Ο Marvin Minsky "απέδειξε" ότι τα νευρωνικά δίκτυα είναι ανεπαρκή για αντιμετώπιση μη-απλών προβλημάτων. 1973: Η κυβέρνηση της Μ. Βρετανίας διέκοψε τη χρηματοδότηση για Τεχνητή Νοημοσύνη στα περισσότερα αγγλικά πανεπιστήμια.

26 Γνωσιακά Συστήματα 1969-1979) Ασθενείς μέθοδοι: Γνώση γενικής χρήσης Ισχυρές μέθοδοι: Εξειδικευμένη γνώση Για να λυθεί ένα δύσκολο πρόβλημα θα πρέπει σχεδόν να γνωρίζουμε ήδη την απάντηση! Έμπειρα συστήματα: DENDRAL (Stanford 1969). Εύρεση της μοριακής δομής οργανικών ενώσεων με δεδομένα από φασματογράφο μάζας. MYCIN (Stanford). Διάγνωση μολύνσεων του αίματος. Αρχές δεκαετίας '70: Prolog.

27 Βιομηχανία (1980 σήμερα) R1: Έμπειρο σύστημα (DEC) για διαμόρφωση παραγγελιών. Μέχρι το 1988 είχαν πουληθεί περισσότερα από 40 πακέτα του R1. 1981: Η Ιαπωνία ανακοίνωσε το πρόγραμμα "5η γενιά", ένα δεκαετές πρόγραμμα για την κατασκευή υπολογιστών με γλώσσα μηχανής την Prolog. Ακολούθησαν αντίστοιχα προγράμματα στις ΗΠΑ και στην Μεγάλη Βρετανία. Τέλη της δεκαετίας του '80: Δεύτερη διάψευση Winter of Artificial Intelligence

28 Η ΤΝ σήμερα (1986 - ) 1986: Αναζοπύρωση του ενδιαφέροντος στα νευρωνικά δίκτυα. Η Τ.Ν. μετεξελίχθηκε σε επιστήμη: Τα επιτεύγματα στηρίζονται πλέον σε αυστηρές θεωρίες. Νέα "επιτεύγματα" γίνονται αποδεκτά μόνο κατόπιν αυστηρής απόδειξης ή εξαντλητικής πειραματικής επιβεβαίωσης. Ευφυείς πράκτορες και διαδίκτυο (1995- ) Έχοντας λύσει αρκετά από τα επιμέρους προβλήματα, οι ερευνητές στράφηκαν ξανά στο "συνολικό πρόβλημα", αυτό της κατασκευής ευφυών πρακτόρων. Το διαδίκτυο αποτελεί ιδανικό χώρο πραγματικής δοκιμής των νέων τεχνολογιών.

Αυτόνομος σχεδιασμός και χρονοπρογραμματισμός ενεργειών Το πείραμα Remote Agent της NASA υλοποίησε το πρώτο αυτόνομο πρόγραμμα σχεδιασμού ενεργειών (planning program) για τον έλεγχο των λειτουργιών ενός διαστημοπλοίου (1998-2001). Το πρόγραμμα: παρήγαγε πλάνα ενεργειών για την επίτευξη στόχων που του καθορίζονταν από τη γη (π.χ. φωτογράφιση κομητών), παρακολουθούσε την εκτέλεσή τους, προέβαινε στις απαραίτητες διορθωτικές ενέργειες, όταν διαπίστωνε αποκλίσεις. http://ic.arc.nasa.gov/projects/ remote-agent/ 1-29

Παιχνίδια (Game Playing) Ο υπολογιστής της IBM Deep Blue έγινε ο πρώτος που νίκησε τον παγκόσμιο πρωταθλητή στο σκάκι Garry Kasparov με σκορ 3.5-2.5, σε αγώνα επίδειξης το 1997. http://www.research. ibm.com/deepblue/ 1-30

Αυτόνομος έλεγχος Το ALVINN είναι ένα σύστημα μηχανικής όρασης το οποίο μαθαίνει να οδηγεί ένα όχημα, παρακολουθώντας έναν άνθρωποοδηγό. Το ALVINN αποτελείται από ένα νευρωνικό δίκτυο ενός κρυμμένου στρώματος. Το σύστημα δέχεται ως είσοδο από τις κάμερες πάνω στο όχημα. Η έξοδος είναι η κατεύθυνση προς την οποία πρέπει να κινηθεί το όχημα για να παραμείνει μέσα στο δρόμο. Ταξίδευσε 2850 χλμ στις ΗΠΑ διατηρώντας αυτονομία στο 98% του ταξιδιού! 1-31 http://www-2.cs.cmu.edu/afs/cs/project/alv/www/navlab_home_page.

1-32 Διάγνωση Ιατρικά προγράμματα διάγνωσης ασθενειών που βασίζονται σε πιθανοτική ανάλυση έχουν αποκτήσει τις ικανότητες έμπειρων θεραπευτών σε πολλές ειδικότητες. Κάποια από αυτά διατίθενται ελεύθερα στο διαδίκτυο, π.χ. http://easydiagnosis.com/ (ελεύθερη/δοκιμαστική χρήση για κάποιες περιπτώσεις).

Σχεδιασμός ενεργειών για προβλήματα Logistics Κατά τη διάρκεια του πολέμου του Περσικού Κόλπου (1991), οι Η.Π.Α. χρησιμοποίησαν το πρόγραμμα D.A.R.T. (Dynamic Analysis and Replanning Tool) για αυτοματοποιημένο σχεδιασμό και χρονοπρογραμματισμό ενεργειών για τις μεταφορές τους. Το πρόγραμμα διαχειρίστηκε 50.000 οχήματα, φορτία και ανθρώπους. Παρήγαγε πλάνα σε μερικές ώρες, αντί για εβδομάδες που χρειάζονται οι προηγούμενες μέθοδοι. Η υπηρεσία D.A.R.P.A. (Defense Advanced Research Project Agency) δήλωσε ότι η συγκεκριμένη εφαρμογή απέφερε περισσότερο από τις επενδύσεις των Η.Π.Α. στην Τ.Ν. τα τελευταία 30 χρόνια. http://www.rl.af.mil/div/ift/iftb/arpi/arpi.html 1-33

1-34 Ρομποτική Ρομποτικοί βοηθοί χρησιμοποιούνται σε μικροεγχειρήσεις. Το σύστημα HipNav (1996) αναπτύχθηκε στο Carnegie Mellon Univ. με σκοπό τη μείωση του κινδύνου λάθος τοποθέτησης σε εγχειρίσεις πλήρους αντικατάστασης γοφού. http://www.mrcas.ri.cmu.edu/projects/hipnav.html Σημαντική πρόοδος έχει γίνει και στην κατασκευή ανθρωποειδών ρομπότ. http://world.honda.com/robot/ Διαγωνισμοί ποδοσφαίρου RoboCup Στόχος για το 2050. http://www.robocup.org/

Κατανόηση Λόγου Verbmobil: Σύστημα αυτόματης μετάφρασης, εξαρτημένης από τα συμφαζόμενα, σε πραγματικό χρόνο. Γλώσσες: Γερμανικά-Αγγλικά-Ιαπωνικά http://verbmobil.dfki.de/ 1-35